Swissmem Zerspanungsseminar 2022: Mikron Tool Hochleistungsbohren in Titan, in einem Schuss

Von Matthias Böhm

Der Hochleistungswerkstoff Titan ist eine zerspanungstechnische Herausforderung. Gleichwohl: Titan ist nicht gleich Titan. Je nach Legierungsbestandteil ergeben sich unterschiedliche zerspanungstechnische Verhalten. Für diese Herausforderungen hat Mikron Tool auf die jeweiligen Titanlegierungen perfekt zugeschnittene Bohrerserien entwickelt, die die entsprechenden Titansorten prozesssicher mit höheren Schnittwerten zerspanen können.

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In der Ideenschmiede von Mikron Tool brodelt es. Jetzt noch schneller und noch sicherer in Titan bohren. Doppelt so schnell und 2–3-mal höhere Standzeiten bei höchster Prozesssicherheit.
In der Ideenschmiede von Mikron Tool brodelt es. Jetzt noch schneller und noch sicherer in Titan bohren. Doppelt so schnell und 2–3-mal höhere Standzeiten bei höchster Prozesssicherheit.
(Bild: Mikron Tool)

Das Bohren des widerspenstigen Titans ist hoch anspruchsvoll. Mit einer der Gründe ist die Kombination seiner Eigenschaften von hoher Elastizität und Zugfestigkeit. Wegen der hohen Zähigkeit ist der Spanbruch schwierig zu realisieren. Durch die geringe Wärmeleitfähigkeit wird die Wärme nicht über den Span aus der Schneidzone abgeführt, aber irgendwie muss sie da raus. Zudem neigt Titan zur Bildung von Aufbauschneiden. Das alles führt zu höherem Verschleiss und verringert die Prozesssicherheit beim Bohren. Die Kompetenz von Mikron Tool besteht darin, Bohrtechnologien zu entwickeln, die auf die Werkstoffeigenschaften von Reintitan wie auch von Titanlegierungen perfekt zugeschnitten sind. Das ist aufwendig, bringt aber für die Anwender enorme fertigungstechnische Vorteile.

Titan: «Wie in Gummi bohren»

«Das ist wie in Gummi bohren», meint Alberto Gotti, R&D-Leiter bei Mikron Tool. «Bohren in Titan ist eine viel grössere Heraus­forderung als Fräsen. Die Schwierigkeiten steigen mit dem Durchmesser-​Bohrtiefen-Verhältnis.» Problematisch wird es über 3 x d. Durch die zähelastische Eigenschaft des Titans wird der Bohrer verklemmt, der Druck auf die Schneiden nimmt zu. Materialverklebung an Schneiden und Führungsfasen erhöht die Schnittkräfte, infolgedessen die Schneidkanten ausbrechen können. Sind die Oberflächen einmal beschädigt, bleibt noch mehr Material haften, was die Reibung erhöht. Überdies ist auch die Spanform problematisch. Denn die Titan-Späne verdichten sich gerne im Kopfbereich und verhindern das Nachfliessen weiterer Späne. Das führt oft zu unkontrollierten Bohrerbrüchen.

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Erschwerend kommt die hohe Temperaturbelastung der Schneiden hinzu. Ab 600° Celsius wird im Hartmetallsubstrat die Cobalt-Bindematrix «weich» und kann die harten Wolframkarbide nicht mehr optimal binden und neigt zur plastischen Verformung, was zu Mikroausbrüchen und letztlich zu Schneidenausbrüchen führt.

Materialspezifische Werkzeuge sind die Lösung

Abhilfe schaffen hier scharf geschliffene Schneiden, die gleichzeitig stabil sein müssen – ein Widerspruch in sich. Mikron Tool hat eine geniale spezifische Schneid-Geometrie entwickelt, die diesen Spagat meistert, infolgedessen die Schnittdrücke signifikant gesenkt werden können.

Wie oben beschrieben, muss die Wärme aus der Zerspanzone gebracht werden. Die Lösung: zwei Kühlkanäle mit sehr grossen Querschnitten führen massiv Kühlmittel bis zur Bohrspitze und garantieren eine konstante Kühlung inklusive Schmierung der Schneiden. Gleichzeitig spült der massive Kühlmittelstrahl die Späne durch die polierten Spannuten und verhindert Spänestau.

Das an sich ist nichts Neues, aber: Die patentierte Sonderform der Kühlkanäle von Mikron Tool ermöglicht, eine 4-mal höhere Kühlmittelmenge bei gleichem Druck durch das Werkzeug zu schiessen. Das ist ein weiterer Schlüssel zum Erfolg und steht für Innovation bei der Wärme- und Späneabfuhr. Das Nutenprofil begünstigt die Späneabfuhr. Doch damit nicht genug: Die Spezialisten aus der Entwicklung setzen auf eine Hartmetallsorte, die Verschleissfestigkeit mit hoher Bruch­zähigkeit kombiniert. Die Beschichtung zeichnet sich durch exzellente Verschleiss- und Oxidationsfestigkeit aus und verringert darüber hinaus die Neigung zum Verkleben.

«Titan ist nicht gleich Titan», sagt Markus Schnyder, Präsident der Mikron Tool International. «Wer dieses Material effizient bearbeiten will, muss es bis ins kleinste Detail kennen. In unserer Entwicklungsarbeit haben wir verschiedene Titan-Werkstoffe untersucht und dabei herausge­funden, dass die unterschiedlichen Titansorten sich extrem voneinander unterscheiden, was für deren industrielle Bearbeitung von höchster Relevanz ist. Reintitan (Grad 1–4) zeichnet sich durch hohe Korrosionsbeständigkeit aus, hat aber dafür geringere mechanische Festigkeiten.»

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Wissenswertes über Titan

Titan ist keineswegs selten und steht an 9. Stelle der Elementhäufigkeit in der kontinentalen Erdkruste. Reines Titan kommt aber in der Erde kaum vor und wird aus Titanerz oder Rutil gewonnen. Noch heute verwendet man für die aufwendige Gewinnung von Titan ein Verfahren, das 1930 von William Justin Kroll, einem luxemburgischen Metallurgen, entwickelt wurde: Durch Einführung der grosstechnischen Reduktion von Titan(IV)-Chlorid mit Magnesium konnte das Metall für kommerzielle Anwendungen gewonnen werden. Der dabei verwendete Herstellungsprozess ist extrem aufwendig, was sich im hohen Preis für Titan zeigt.

Manch einer bezeichnet Titan als zickende Diva, die sich bei falscher Behandlung entsprechend sträubt. Für die Industrie entwickelte sich Titan zum Ultrawerkstoff dank seiner hervorragenden Eigenschaften. Der Anwendungshorizont ist breit: Die Luft- und Raumfahrt, der Rennsport, die Medizin- und Zahntechnik, die chirurgische Orthopädie sowie die Schmuck- und Uhrenbranche nutzen ihn. Auch für Brillenfassungen ist Titan ideal. Kurzum, das Metall ist der Liebling der Industrie dank der breiten Kundschaft. 300 000 Tonnen werden jährlich verarbeitet. Das überirdische Image von Titan ist für diese Menge verantwortlich.

Zu Recht, denn es ist unverwüstlich. In Kontakt mit Sauerstoff verwittert es kaum, da es sich mit einer dünnen, transparenten Oxidschicht umhüllt. Aggressivste Medien, wie Säuren, können Titan nichts anhaben. Es ist fast so leicht wie Aluminium allerdings mit einer viel höheren Festigkeit, ungefähr so fest wie vergüteter Stahl. Darüber hinaus ist es biokompatibel und anti­magnetisch.

Jedem Titan sein Bohrer

M. Schnyder: «Legiertes Titan (Grad 5 und höher) hat eine hohe Festigkeit, aber eine geringe Duktilität. Um diese Unterschiede zerspanungstechnisch in den Griff zu bekommen, haben wir getüftelt bis zum Verrücktwerden. Drei Jahre akribische Entwicklungsarbeit liegen hinter uns. Unsere Leidenschaft und die gewonnenen Erkenntnisse brachten uns – Stand heute – eine perfekte Lösung: zwei spezifische Geometrien, eine für Reintitansorten und eine für Titanlegierungen. So garantieren wir perfekt kontrollierte Spanabfuhr, hohe Bohrgeschwindigkeiten und wiederholgenaue Prozesse mit optimaler Bohrqualität für diese diffizilen Titanwerkstoffe. Jedem Titan sein Bohrer. Das ist unsere Antwort auf den Umgang mit diesem anspruchsvollen und ‹göttlichen› Material.»

Crazy Drill Cool Titanium – doppelt schnell

Die neue Produktserie Crazy Drill Cool Titanium wird im Durchmesserbereich von 1 bis 6,35 mm (.004"–.250") angeboten. Für Reintitan entwickelte Mikron Tool Kurzbohrer mit 3 x d und Bohrer mit 6 x d. Für Titanlegierungen setzt Mikron Tool auf Bohrer mit 6 x d und 10 x d in Kombination mit einem Pilotbohrer.

Für die Herstellung von Präzisionsbauteilen aus Titan sind abgestimmte Werkzeuge erforderlich, um Titan wirtschaftlich zu bearbeiten.

Titan ist teuer, das Bauteil auch, umso wichtiger sind hohe Prozesssicherheit und berechenbare Standzeiten. Ist Letzteres noch zu toppen, umso besser. Die neuen Hochleistungsbohrer für Titan von Mikron Tool haben 2–3-mal höhere Standzeiten und sind betreffend Vorschubgeschwindigkeit doppelt so schnell wie aktuelle Mitbewerber. Eine weitere Spitzenleistung: Das Bohren erfolgt in einem Schuss, ohne mehrfaches Entspanen.

Markteinführung der Titan-Bohrer in 2022

Das Ergebnis lässt sich sehen, denn einmal mehr zeigt sich, dass Mikron Tool die Technologieführerschaft beansprucht und diese Position beim erfolgreichen Bearbeiten diffiziler Werkstoffe verteidigt. «Wir lieben es, für unsere Kunden das Beste aus unseren Werkzeugen herauszuholen. Uns ist nichts ‹crazy› genug. Die Kunden müssen sich noch eine Sekunde gedulden. Die Markteinführung der ‹göttlichen› Bohrer wird Ende des zweiten Quartals 2022 sein. Auf diese Produkte zu warten, lohnt sich. Bleiben Sie dran.», so Alberto Gotti.

SMM

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